《数控机床伺服系统》PPT课件.ppt

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1、数控机床的伺服系统及位置检测4.1 概概 述述n n数控机床伺服系统是以机床运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统，简称伺服系统。n n数控机床伺服系统主要有两种:一种是进给伺服系统，它控制机床各坐标轴的切削进给运动，以直线运动为主；另一种是主轴伺服系统，它控制主轴的切削运动，以旋转运动为主。n n数控机床的精度、稳定性、可靠性及加工效率等技术指标在很大程度上取决于伺服系统的性能。n n伺服系统的作用是接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置(直流或交流伺服电机、直线电机、功率步进电机等)和机械传动机构，驱动机床的工作

2、台等执行部件进行运动。n n数控机床的进给伺服系统与一般机床的进给系统有本质上的差异，它能根据指令信号自动精确地控制执行部件运动的位移、方向和速度，以及数个执行部件按一定的规律运动以合成一定的运动轨迹。1.数控伺服系统的组成数控伺服系统的组成1)开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常机床组成。通常,执行元件选用步进电执行元件选用步进电动机。动机。2）闭环及半闭环伺服系统由执行元件、驱动控闭环及半闭环伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床以及反馈检测元件、比较环节组制单元、机床以及反馈检测元件、比较环节组成。成。2.伺服系统的分类伺服系统的分类

3、 n n1)按照控制方式的不同可分为开环、闭环和半闭环控制；n n2)按所用执行元件可分为步进伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统三类；n n3)按伺服系统的用途和功能可将伺服系统分为进给驱动系统和主轴驱动系统；n n4)按驱动方式分类，将伺服系统分为液压伺服驱动系统、电气伺服驱动系统和气压伺服驱动系统；n n5)按控制信号分类,将伺服系统分为数字伺服系统、模拟伺服系统和数字模拟混合伺服系统等。3.伺服系统的要求伺服系统的要求 n n1)足够高的精度n n2)好的快速响应性 n n3)较宽的调速范围 n n4)可靠的系统稳定性4.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件n n1.步进电机步进电

4、机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置。步进电机的角位移与电脉冲信号数成正比，转数与脉冲频率成正比，转向与通电相序有关。1)步进电机结构与工作原理步进电机结构与工作原理步距角步距角：每发一个脉冲，步进电机转子转过的角度。：每发一个脉冲，步进电机转子转过的角度。脉冲当量：脉冲当量：每发一个脉冲，工作台移动的位移量。每发一个脉冲，工作台移动的位移量。n n(1)三项三拍控制三项三拍控制 所谓“三相”,是指步进电动机有三相定子绕组。“单”是指每次只有一相绕组通电，而“双”是指每次有二相绕组通电，“三拍”是指，每三次转换为一个循环，第四次则重复第一次的通电情况。其他相数的步进电动机依此类推

5、。n n三相三拍控制方式一种为双三拍，这种方式同时有两相绕组通电，通电顺序为ABBCCAAB(逆时针旋转)或ACCBBAAC(顺时针旋转)。双三拍控制方式的步距角仍为30。(2)三项六拍三项六拍n n采用三相六拍控制方式，步进电动机的绕组通电顺序为AABBBCCCA A.每切换一次，步进电动机将逆时针旋转15。如通电顺序改为AACCC BBBAA，则步进电动机以步距角15，顺时针旋转。2).步距角步距角 步距角步距角：每发一个脉冲，步进电机转子转过的：每发一个脉冲，步进电机转子转过的角度。角度。2.直流伺服电动机直流伺服电动机 1)直流伺服电动机的结构及工作原理直流伺服电动机具有良好的启动、制

6、动和调速特性，可方便地在很宽范围内实现平滑无极调速，故多采用对伺服电动机的调速性能要求较高的数控机床中。组成：定子、转子、电刷与换相片直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。3。交流伺服电动机。交流伺服电动机 n n交流伺服电动机有交流伺服电动机有异步型异步型和和同步型同步型交流伺服电动机交流伺服电动机两种。异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动两种。异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机机,它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕

7、式。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式。n n应用较多的是应用较多的是同步型交流伺服电动机同步型交流伺服电动机。它的定子与。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。数控机床中多用永磁式同步电动机。反应式多种。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式的优点是结构简单、运行可与电磁式相比，永磁式的优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体

8、积大、启动特性欠佳。靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。4。直线电动机。直线电动机 n n直线电动机是一种能将电信号直接转换成直线位移的电动机。由于它无需转换机构即可直接获得直线运动，所以直线电动机没有传动机械的磨损，并且噪音低，结构简单，操作维护方便。n n主要应用机型：直流直线电动机、交流直线电动机以及直线步进电动机等，在实际中应用较多的是交流直线电动机。4.3 步进式伺服系统步进式伺服系统n n步进式伺服系统采用功率步进电动机作为执行元件，实现进给控制。与闭环控制系统相比，它没有位置和速度反馈回路，无需位置和速度测量装置及复杂的控制调节电路，因此这种系统成本较低，结构简单，工作可靠

9、，容易与机床连接，控制使用比较方便。在对速度、精度要求不太高的中、小型数控机床上得到广泛的应用。4.4 直流和交流伺服系统直流和交流伺服系统n n1。直流伺服系统n n直流伺服系统采用直流伺服电动机作为执行元件，并由直流电源供电。n n直流电动机常用的调速方法有磁场控制方式(即改变电动机的励磁磁通来调节电动机的转速)和电压控制方式(即励磁磁通恒定,改变电枢电压调节电动机的转速）及两种混合调速。n n永磁式宽调速直流电动机为永磁式电动机，其磁场磁通是恒定的，只能通过改变电枢的电压进行调速。n n常用的电压调速有两种方法:晶闸管调速(SCR)和晶体管脉宽调制调速(PWM)。晶体管脉宽调速晶体管脉宽

10、调速(PWM)的主要特点的主要特点 n nPWMPWM调速具有如下特点调速具有如下特点:n n(1)(1)晶体管的频率远比转子能跟随的频率高得多晶体管的频率远比转子能跟随的频率高得多,避开了机械共振。避开了机械共振。n n(2)(2)电枢电流的脉动小电枢电流的脉动小,电动机在低速时工作也十电动机在低速时工作也十分平滑、稳定。分平滑、稳定。n n(3)(3)调速比可以很大。调速比可以很大。n n(4)(4)电流波形系数较小电流波形系数较小,热变形小。热变形小。n n(5(5功率损耗小。功率损耗小。n n(6)(6)频带宽动态硬度好频带宽动态硬度好,响应很快。响应很快。n n缺点缺点:如不能承受高

11、的峰值电流。一般都是将峰值如不能承受高的峰值电流。一般都是将峰值电流限制到二倍有效电流。另外，还有大功率晶体电流限制到二倍有效电流。另外，还有大功率晶体管性能不够稳定，价格较贵等缺点。管性能不够稳定，价格较贵等缺点。n n2。交流伺服系统。交流伺服系统 电机转速可采用以下两种方法电机转速可采用以下两种方法:n n(1)(1)改变磁极对数改变磁极对数P P，这是一种有效的调速方法，这是一种有效的调速方法,它它是通过对定子绕组接线的切换改变磁极对数调速的。是通过对定子绕组接线的切换改变磁极对数调速的。n n(2)(2)变频调速。变频调速是平滑改变定子供电电压变频调速。变频调速是平滑改变定子供电电压

12、频率频率f f，而使转速平滑变化的调速方法，多数交流，而使转速平滑变化的调速方法，多数交流伺服电动机都采用这种调速方法。伺服电动机都采用这种调速方法。4.5 位置检测装置位置检测装置4.5.1 概 述 n n位置检测装置通常安装在机床的工作台或丝杠上，不断地将工作台的位移量或丝杠的转角检测出来并反馈给控制系统。n n它由传感器和检测电路两部分组成，起着测量和反馈两个作用。n n在闭环系统中，检测装置的主要作用是检测位移量，并使发出的反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。它发出的信号传送给数控装置或专用控制器，构成

13、闭环控制。n n传感器能分辨出的最小测量值称为分辨率。分辨率不仅取决于传感器本身，也取决于测量线路。1.对检测装置的要求对检测装置的要求 n n(1)在机床工作台移动范围内，能满足精度和速度的要求。n n(2)在机床的工作环境下，能可靠地工作，即受温度影响小，抗干扰能力强，并能长期保持精度。n n(3）易于实现高速的动态测量和处理，易于实现自动化。n n(4)使用、维护简单方便，成本低。2.检测装置的分类检测装置的分类n n(1)(1)按安装位置和耦合方式可分为直接测量和间接按安装位置和耦合方式可分为直接测量和间接测量。测量。n n(2)(2)按测量装置的编码方式可分为绝对式测量和增按测量装置

14、的编码方式可分为绝对式测量和增量式测量量式测量 。n n(3)(3)按检测信号的类型可分为模拟式测量和数字式按检测信号的类型可分为模拟式测量和数字式测量测量 。n n(4)(4)按运动形式可分为旋转型和直线型检测装置按运动形式可分为旋转型和直线型检测装置 。n n(5)(5)按信号的转换原理可分为光电效应、光栅效应、按信号的转换原理可分为光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等类型的检测装置等类型的检测装置 4.5.2 光光 栅栅n n1.光栅的种类光栅的种类n n光栅是一种利用光的透射、衍射现象制成的光电光栅是一种利用光的透射

15、、衍射现象制成的光电检测元件，是最常见的位置测量装置，具有精度检测元件，是最常见的位置测量装置，具有精度高，响应速度快等优点。高，响应速度快等优点。n n光栅按形状可分为圆光栅和长光栅。光栅按形状可分为圆光栅和长光栅。n n圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位移圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位移的检测。的检测。n n材料有玻璃光栅和金属光栅之分。材料有玻璃光栅和金属光栅之分。n n光栅主要由光栅尺光栅主要由光栅尺(包括标尺光栅和指示光栅包括标尺光栅和指示光栅)和和光栅读数头两部分组成光栅读数头两部分组成,通常,标尺光栅安装在机床的运动部件(如工作台或丝杠)上，光栅读数头安装在机床的

16、固定部件(如机床底座)上，两者随着工作台的移动而相对移动。光栅尺是用真空镀膜的方法刻上均匀密集线纹的透光栅尺是用真空镀膜的方法刻上均匀密集线纹的透明玻璃片或长条形金属镜面。明玻璃片或长条形金属镜面。对于对于长光栅长光栅，这些线纹相互平行，各线纹之间的距，这些线纹相互平行，各线纹之间的距离相等，称此距离为栅距。离相等，称此距离为栅距。对于对于圆光栅圆光栅，这些线纹是等栅距角的向心条纹。栅，这些线纹是等栅距角的向心条纹。栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。(1)玻璃透射

17、光栅玻璃透射光栅 n n 玻璃透射光栅是在透明的光学玻璃板上，刻玻璃透射光栅是在透明的光学玻璃板上，刻制或腐蚀出平行且等距的密集线纹，利用光的透制或腐蚀出平行且等距的密集线纹，利用光的透射现象形成光栅。透射光栅的特点是射现象形成光栅。透射光栅的特点是:n n 光源可以垂直人射，光电元件可直接接受光源可以垂直人射，光电元件可直接接受光信号，因此信号的幅度大，读数头结构比较简光信号，因此信号的幅度大，读数头结构比较简单单;n n 刻线密度较大，常用刻线密度较大，常用5050线线/mm/mm，100100线线/mm/mm，250 250线线/mm/mm，再经过电路细分，可做到微米级，再经过电路细分，

18、可做到微米级的分辨率。的分辨率。(2)金属反射光栅金属反射光栅 n n 一般是在不透明的金属材料一般是在不透明的金属材料(如不锈钢板或铝如不锈钢板或铝板板)上刻制平行、等距的密集线纹，利用光的全反上刻制平行、等距的密集线纹，利用光的全反射或漫反射形成光栅。常用反射光栅的刻线密度射或漫反射形成光栅。常用反射光栅的刻线密度为为4 4线线/mm/mm，10 10线线/mm/mm，2525线线/mm/mm，4040线线/mm/mm，5050线线/mm/mm。金属反射光栅的特点是。金属反射光栅的特点是:n n 标尺光栅的线膨胀系数很容易与机床材料一标尺光栅的线膨胀系数很容易与机床材料一致致;n n易于接

19、长或制成整根的长光栅易于接长或制成整根的长光栅;n n不易碰碎不易碰碎;n n分辨率比透射光栅低。分辨率比透射光栅低。(3)圆光栅圆光栅 n n圆光栅是在玻璃圆盘的外环端面上，作成黑白间隔条纹，根据不同的要求，在圆周内线纹数也不同，若直径为70mM，则一周内刻线为100768条;n n若直径为110 mm，则一周内刻线达6001024条,甚至更高。n n同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同。2.光栅的组成及工作原理光栅的组成及工作原理 n n光栅主要由光栅尺和光栅读数头组成，而光栅读光栅主要由光栅尺和光栅读数头组成，而光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动数头由光源

20、、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。线路组成。n n读数头的光源一般采用白炽灯泡。白炽灯泡发出读数头的光源一般采用白炽灯泡。白炽灯泡发出的辐射光线经过透镜后变成平行光束，照射在光的辐射光线经过透镜后变成平行光束，照射在光栅尺上。栅尺上。n n光敏元件是一种将光强信号转换为电信号的光电光敏元件是一种将光强信号转换为电信号的光电转换元件，它接收透过光栅尺的光强信号，并将转换元件，它接收透过光栅尺的光强信号，并将其转换成与之成比例的电压信号。其转换成与之成比例的电压信号。n n如果将指示光栅在其自身的平面内如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度转过一个很小的角度，使两块光，使两块光栅

21、的刻线相交，当平行光线垂直照栅的刻线相交，当平行光线垂直照射标尺光栅时，则在相交区域出现射标尺光栅时，则在相交区域出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为莫尔条纹。称为莫尔条纹。n n两个亮带间的间距称为莫尔条纹的两个亮带间的间距称为莫尔条纹的纹距纹距p p。由于两块光栅的刻线密度。由于两块光栅的刻线密度相等，即栅距相等，即栅距 相等，使产生的莫尔相等，使产生的莫尔条纹的方向与光栅刻线方向大致垂条纹的方向与光栅刻线方向大致垂直。直。当标尺光栅移动时，当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿与光栅移动方向垂直的莫尔条纹就沿与光栅移动方向垂直的方向移动。方向移动。当光栅移动一个栅

22、距当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹就相应准确地移时，莫尔条纹就相应准确地移动一个纹距动一个纹距p，两者一一对应。，两者一一对应。只要读出移过莫尔条纹的数目，就可知道光栅移过了多少个只要读出移过莫尔条纹的数目，就可知道光栅移过了多少个栅距。栅距。4.5.3 直线感应同步器直线感应同步器n n1.直线感应同步器的结构及特点n n直线感应同步器利用两个平面形印刷绕组(其间保持均匀气隙)的相对平行移动，根据交变磁场和互感原理进行工作，是一种电磁式的检测传感器。直线感应同步器作为直接位置测量元件在数控机床上已广泛采用。n n直线感应同步器由定尺和滑尺组成.n n尺上两组励磁绕组，一组叫正弦励磁绕组，一组叫

23、余弦励磁绕组，定尺和滑尺绕组的节距相同。n n直线感应同步器中的定尺与滑尺平行安装，且保持一定的间隙(约0.025 mm)。定尺固定在床身上，滑尺则安装在机床的移动部件上，随工作台一起移动。当励磁的滑尺移动时，在定尺上产生感应电压，通过对感应电压的测量，可以精确地测量出位移量。n n感应同步器作为位置检测装置具有如下特点感应同步器作为位置检测装置具有如下特点:n n(1)(1)感应同步器直接对机床进行位移检测，无中感应同步器直接对机床进行位移检测，无中间环节影响，因此精度高。间环节影响，因此精度高。n n(2(2）绕组在每个周期内的任何时间都可以给出仅）绕组在每个周期内的任何时间都可以给出仅与

24、绝对位置相对应的单值电压信号，不受干扰的影与绝对位置相对应的单值电压信号，不受干扰的影响，所以工作可靠，抗干扰性强。响，所以工作可靠，抗干扰性强。n n(3)(3)定尺与滑尺之间无接触磨损，安装简单，维定尺与滑尺之间无接触磨损，安装简单，维修方便，寿命长。修方便，寿命长。n n(4)(4)通过拼接方法，可以增大测量距离的长度。通过拼接方法，可以增大测量距离的长度。n n(5)(5)成本低，工艺性好。成本低，工艺性好。4.5.4 光电脉冲编码器光电脉冲编码器n n脉冲编码器是一种增量检测装置,它的型号每转发出的脉冲数来区分。数控机床上常用的脉冲编码器有2000P/r，2500 P/r和3000P/r，高精度如20000 P/r，25 000 P/r和30000P/r等，现在己有使用每转发10万个脉冲的脉冲编码器，该编码器装置内部采用了微处理器。